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第 38 卷 第 1 期 郑善朴等: 多层结构中脱粘缺陷的超声检测方法 137
鼓包型脱粘是粘接层中的溶剂在高温硫化过 呈现出微小的差异如幅值浮动、时刻偏移,此差异
程中挥发而造成的气体空间,通过图 3(a) 所示空气 由脱粘类型的不同造成,因此波峰 a∼e 的时刻、幅
来模拟;紧贴型脱粘是粘接面上的污染物阻碍胶黏 值信息成为判断缺陷类型的信息源。由仿真软件中
剂活性基团的扩散和渗透造成的极易扩展为分离 二维云图的分帧绘图功能,根据波峰时刻值确定组
脱粘的假性紧贴粘接,利用图3(b)所示液体水代替; 成回波的声程如图 5 所示。其中需要注意的是,声
斑点型脱粘是胶黏剂涂覆不均或异物掺杂造成的 波经过界面时均存在反射和透射现象,体现在回波
不连续群状脱粘,利用图3(c)所示胶黏剂和气体交 中为多种波包,但部分回波的幅值与主能量相比十
叉连接代替 [12] 。模型中激励线源长度为25 mm,加 分微小且难以判别,因此图 5 为回波的主能量声程,
载到与缺陷同轴的模型上边缘。固体力学模块中利 未表示出每次透射界面时的反射现象。
用“指定位移” 代替超声激励,激励方程为经汉宁窗
调制的正弦脉冲函数: 200
b d e
s(t) = (1 − cos(2πft)) sin(2πft)[mm], (9) 100
ͯረࣨϙ/mm 0
式 (9) 中:超声脉冲的中心频率 f 设为 1 MHz,激励 c
时长 t 设为 1 µs 的单次脉冲波。为获取更精准的结
果,以材料中声波波长的十分之一作为划分网格最 -100
大单元尺寸的原则;选择 “瞬态” 求解器研究时域内 -200 ႍ᭧ 10 mmᴂӊی
a ႍ᭧ 10 mmጋی
声波动态传播过程,设置求解时间大于整体底面回 ႍ᭧ 10 mmགی
-300
波时长的 2 倍——25 µs;根据划分最小网格边长和 0 5 10 15 20 25
ᫎ/ms
材料最大纵波波速可得出 0.05 µs 为合适的求解步
图 4 良好粘接仿真模型脉冲反射回波
长 [13] ;经计算后,可将声波在 25 µs 内结构中的位
Fig. 4 Pulse echo of good bonding simulation model
移求解结果以二维云图或一维点图的形式显示;由
于该软件无法实现收发同源,因此,在激励线源正 五种声程均由声波主能量在粘接界面的反射
下方 0.05 mm 处设置同样长度的线段作为接收换 和透射组成,不同程度地反映着粘接界面的信息,彼
能器。以相同位置、尺寸、不同类型的脱粘模型中 此相互制约并呈现一种非线性映射关系。界面存在
25 µs 内接收线段的位移平均值为纵坐标画出脉冲 脱粘缺陷时,不同脱粘类型必然存在各自的波峰变
反射回波的一维点图如图4所示。 化机制,但具有分类模糊性。结合声波在多层不连
图 4 中可见三种回波的始波重合,始波之后有 续介质中的传播规律,确定将五种声程的波峰时刻、
多个明显波包,其波峰的时刻和幅值随着脱粘类型 幅值作为区分脱粘类型的特征值。
ฉa ฉb ฉc ฉ d ฉe
图 5 回波的主能量声程
Fig. 5 Path of the echo’s main energy
3.2 BP神经网络的脱粘分类 上位移平均值一维点图中 5 个波峰的时刻和幅值
由仿真软件得到三类材料相同的含已知脱粘 作为特征值,某些回波中的部分波峰已经消失,取
缺陷和待测缺陷结构中的脉冲反射信号,同类已 前 5 个波峰的时刻和幅值,由此组成矩阵为24 × 10
知脱粘有八种不同位置和尺寸的缺陷。图 6 为三层 的已知脱粘缺陷训练样本集,三类脱粘类型标号
BP 神经网络的脱粘缺陷分类步骤,提取接收线段 组成校验样本集。输入层神经元节点数 I 为特征值